[论文解读] Flavor from the Electroweak Scale

Martin Bauer, Marcela Carena+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用 5

一句话总结

本文提出一个两Higgs双重态模型，其中电弱尺度的Higgs场本身充当轻子场，通过高阶微扰算符生成夸克质量与混合角。结果表明，味物理约束与LHC Higgs精密测量数据强烈偏好存在轻的额外Higgs玻色子的参数区域，预测了Run II中具有特征的对撞机信号。

ABSTRACT

We discuss the possibility that flavor hierarchies arise from the electroweak scale in a two Higgs doublet model, in which the two Higgs doublets jointly act as the flavon. Quark masses and mixing angles are explained by effective Yukawa couplings, generated by higher dimensional operators involving quarks and Higgs doublets. Modified Higgs couplings yield important effects on the production cross sections and decay rates of the light Standard Model like Higgs. In addition, flavor changing neutral currents arise at tree-level and lead to strong constraints from meson-antimeson mixing. Remarkably, flavor constraints turn out to prefer a region in parameter space that is in excellent agreement with the one preferred by recent Higgs precision measurements at the Large Hadron Collider (LHC). Direct searches for extra scalars at the LHC lead to further constraints. Precise predictions for the production and decay modes of the additional Higgs bosons are derived, and we present benchmark scenarios for searches at the LHC Run II. Flavor breaking at the electroweak scale as well as strong coupling effects demand a UV completion at the scale of a few TeV, possibly within the reach of the LHC.

研究动机与目标

• 通过在电弱尺度嵌入味动力学，自然解释观测到的费米子质量层次与CKM混合角，避免精细调节。
• 构建一个紫外完备模型，使Higgs双重态本身充当轻子场，避免人为设定的味对称性破缺尺度。
• 将味物理约束（特别是介子-反介子混合中的FCNC）与LHC的Higgs精密测量数据相协调。
• 为LHC Run II中额外Higgs玻色子的直接搜寻识别基准物理场景。

提出的方法

• 通过涉及两个Higgs双重态的高阶微扰算符生成有效Yukawa耦合，以 $ H_u H_d / \tilde{\nu}^2 $ 取代传统轻子场。
• 利用有效哈密顿量与QCD矩阵元匹配，计算树幅级味改变中性流（FCNC）过程。
• 通过扩展Higgs谱系中费米子与规范玻色子的修正耦合，评估Higgs信号强度与衰变宽度。
• 对ATLAS与CMS的Higgs数据进行全局拟合，整合来自 $K$、$B_d$ 与 $B_s$ 混合及 $B_s \to X_s \bar{\nu}\nu$ 衰变的约束。
• 利用跑动方程将Wilson系数从电弱尺度运行至味物理可观测量相关的低能尺度。
• 在基准物理场景下推导额外Higgs态的分支比，明确依赖于 $\tan\beta$ 与 $\beta - \bar{\beta}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过电弱尺度的动力学，利用Higgs双重态作为轻子场，自然生成夸克质量层次与混合角？
• RQ2 Higgs谱系中的树幅级FCNC在介子-反介子混合与稀有衰变的实验约束下，能存活到何种程度？
• RQ3 修正的Higgs耦合如何影响产生截面与衰变宽度？能否与当前LHC Higgs精密测量数据相容？
• RQ4 满足味物理与Higgs数据双重约束的额外Higgs玻色子可行参数区域为何？
• RQ5 能否在LHC Run II的搜寻中识别出额外Higgs态的显著对撞机信号？

主要发现

• 存在一个显著的参数区域，使得味物理约束与LHC Higgs精密测量数据在95%置信水平下同时满足。
• 偏好参数区域远离对齐/解耦极限，意味着额外Higgs玻色子不能任意重，必须在LHC中可探测。
• 电弱精密观测偏好带电与中性Higgs态之间存在大质量分裂，中性标量近乎 degenerate。
• 该模型预测Higgs信号强度出现显著偏离，特别是 $gg \to h \to \tau\tau$ 与 $h \to \bar{b}b$，与当前LHC测量一致。
• 基准物理场景（如1a、1b、2）显示轻与重中性、赝标量与带电Higgs玻色子具有显著不同的分支比，强烈依赖于 $\tan\beta$ 与 $\beta - \bar{\beta}$。
• 对额外Higgs玻色子的直接搜寻是该模型的高效探测手段，尤其在 $h \to \tau\tau$、$h \to \bar{b}b$ 与 $H^\pm \to \tau\tau$ 通道中。